哈佛的超薄量子计算芯片
关键要点 在向实用量子计算机和网络的竞赛中，光子——光的基本粒子——在室温下作为快速信息载体具有有趣的可能性。 光子通常通过扩展微芯片上的波导或通过透镜、反射镜和分束器构建的笨重设备进行控制并诱导成量子态。 光子纠缠在一起——使它们能够并行编码和处理量子信息——通过这些光学元件的复杂网络。 但众所周知，由于进行任何有意义的计算或网络所需的部件数量众多且不完善，此类系统难以扩展。 所有这些光学元件是否可以折叠成一个单一的、扁平的、超薄的亚波长元件阵列，以完全相同的方式控制光，但制造的零件要少得多？ 哈佛大学的 光学研究人员 John A. 保尔森工程学院和应用科学 （SEAS） 就是这样做的。 由费德里科·卡帕索 （Federico Capasso） 领导的研究小组、罗伯特· 华莱士应用物理学教授和文顿·海耶斯电气工程高级研究员创造了专门设计的超表面——蚀刻有纳米级光纵图案的平面器件——作为量子光学芯片和装置的超薄升级。 该研究发表在科学并由空军科学研究办公室（AFOSR）资助。 卡帕索他的团队表明，超表面可以产生复杂的、纠缠的光子态来执行量子运算——就像使用具有许多不同组件的大型光学设备完成的运算一样。 “在解决可扩展性问题方面，我们正在引入一项重大技术优势，”研究生兼第一作者 Kerolos M.A. 说。 优素福。 “现在我们可以将整个光学装置小型化为一个非常稳定和坚固的单个超表面。” 超表面：坚固耐用和可扩展的量子光子处理器 他们的结果暗示了范式转变光学量子器件的可能性，不是基于传统的、难以扩展的组件，如波导和分束器，甚至是扩展的光学微芯片，而是基于具有许多优势的抗错超表面：没有这样的设计 需要复杂的对准、对扰动的鲁棒性、成本效益、制造简单性和低光学损耗。 宽说到这里，这项工作体现了基于超表面的量子光学，除了开辟通往室温量子计算机和网络的道路外，还可以使量子传感受益或为基础科学提供“芯片实验室”功能 设计一个可以精细控制亮度、相位和偏振等特性的单个超表面 独特的挑战，因为一旦光子数量和量子比特数量增加，就会出现数学复杂性开始增加。 每增加一个光子就会引入许多新的干扰路径，在传统设置中，这将需要快速增长的分束器和输出端口数量。 用于超表面设计的图论 为了使复杂性变得有序，研究人员依靠了称为图论的数学分支，它使用点和线来表示连接和关系。 通过将纠缠光子态表示为许多连接的线和点，它们能够直观地确定光子如何相互干扰，并在实验中预测它们的影响。 图论也用于某些类型的量子计算和量子纠错，但通常不会在超表面的背景下考虑，包括它们的设计和作。 由此产生的论文是与 Marko Loncar 实验室合作的，他的团队专门研究量子光学和集成光子学，并提供了所需的专业知识和设备。 “我对这种方法感到兴奋，因为它可以有效地扩展光量子计算机和网络——与超导体或原子等其他平台相比，这长期以来一直是他们面临的最大挑战，”研究科学家尼尔·辛克莱说。 “它还为超表面的理解、设计和应用提供了新的见解，特别是在产生和控制量子光方面。 在某种程度上，使用图方法，超表面设计和光学量子态成为同一枚硬币的两面。 该研究得到了联邦来源的支持，包括 AFOSR 的奖励编号。 FA9550-21-1-0312。 这项工作是在哈佛大学纳米级系统中心进行的